冶金企业小半径曲线轮轨异常磨耗分析

任峰 王静

摘  要：铁路运输是冶金企业生产运输方式中最重要的组成部分。由于冶金企业作业环境差、线路曲线多、载重量大，致使铁路运输车辆轮对的轮缘及钢轨磨损迅速且较为严重，特别是小半径曲线上的轮轨异常磨耗严重影响行车安全并造成铁路线路和冶金车辆维修成本的增加。

关键字：轮对;曲线;轮轨;异常磨耗

车辆通过小半径曲线线路时，由于线路、车辆状况不良等原因造成小半径曲线上出现钢轨和轮对接触关系异常，导致钢轨的侧面磨耗和轮缘外侧磨耗加剧。往往钢轨与轮对在没有达到检修周期就已超过磨耗限度。轮缘原型尺寸厚度为32mm，甚至新轮对装配后，出库使用不到一年，轮缘厚度就接近应用限度23mm（严重的平均每月轮缘磨耗1mm）。为保证轮对安全性能和使用周期需对轮对进行旋修加工（轮缘年修限度26mm），频繁旋修造成轮辋厚度减小，大大降低轮对使用寿命。

1  造成轮对异常磨耗原因分析

1.1小半径曲线车辆通过时轮轨接触问题对磨耗的影响

冶金企业铁道线路由于环境条件限制，小半径曲线较多，而小半径曲线上轮轨接触关系直接影响轮对和钢轨的使用寿命。轮轨接触是一个非常复杂的过程，它既是物理非线性，又是几何非线性，边界条件复杂。企业采用整体碾钢车轮，材料为CL60，车轮踏面均为锥形踏面。锥形踏面有两个斜度（如图1），即1：20和1：10，前者位于轮缘内侧48—100mm范围内，是轮轨的主要接触部分，后者为离内侧100mm以外的部分，踏面的最外侧做成R=16mm的圆弧，其作用是便于通过小半径曲线。为了防止车轮通过曲线时产生较大的横向力而可能脱轨，但由于轮缘有一定倾斜度，尽管车轮有少量抬起，也会在车轮载荷的作用下，顺着轮缘的斜坡滑至安全位置。这种情况不但在曲线上出现，在直线段上轮对受较大横向力时也会出现。

轮轨出现异常磨耗，多数在小半径曲线上而且机车轮对也有异常磨耗现象，轮缘踏面磨耗后的形状主要取决于线路状况和车辆运行速度（在保证车辆轮对符合标准的情况下），而与车轮本身的结构无关。当运行的线路和车辆的速度没有较大变化时，即使车轮发生了磨耗变化，其踏面形状也无需改变，除非磨耗过限，不会产生异常磨耗（轮缘磨耗速度较快、轮缘内侧磨耗、踏面圆周磨耗较快等）。

就铁路线路因素而言造成车辆异常磨耗主要有：轨距超限、超高变化率过大（未合理设置超高顺坡率）、由于轨距超限曲线不圆顺等，以上原因都会使车轮与钢轨的内接情况不好， 阻力增加， 增加车辆的不稳定性和横向力， 增加导向力和冲击角， 引起行车摇晃， 造成轮对轮缘异常磨耗。

1.2轮轨关系中的硬度匹配关系

轮轨本来就是一对摩擦副，除了设计合理的轮轨几何形面外，不同运输条件下轮轨硬度的合理匹配对提高轮轨的使用寿命具有十分重要的作用。

有研究结果说当车轮硬度固定而钢轨/车轮的硬度比<1时（即钢轨较软） ， 随着钢轨硬度的增大， 钢轨的磨耗率减少， 而车轮的磨耗率增大;当钢轨的硬度增大到和车轮的硬度相等时，钢轨和车轮的磨耗率相同;当钢轨/车轮硬度比> 1 时（钢轨比车轮硬） ，钢轨硬度继续增大，钢轨的磨耗率随着其硬度的增大以更快的速度减少， 而车轮的磨耗率保持不变;当钢轨/车轮硬度比为1.1～1.2时，车轮的磨耗率大于钢轨的磨耗率，说明钢轨硬度的提高将使车轮磨耗增加。但由于其试验采用不同的回火温度来获得不同的硬度， 因此与实际轮轨材料的组织状态有所不同。当钢轨/车轮的硬度比< 0.96时， 钢轨试样磨损明显上升，当钢轨/车轮的硬度比>1.0时， 钢轨试样磨损稳定在较低水平， 而当钢轨车对硬度比>1.25 时， 钢轨试样磨耗开始下降; 车轮试样的磨损与轨相反， 当钢轨/车轮的硬度比= 1.20左右时， 车轮试样磨损明显增加，当钢轨/车轮的硬度比=1.28 时，车轮试样磨损徒然增大了4～5倍。在钢轨/车轮的硬度比= 1.0 附近，轨、轮试样磨损相当， 總磨损也最低。由此可见， 就减少轮轨材料的磨耗而言，最佳硬度匹配区为钢轨/车轮的硬度比 = 1.0～1.2。在重载条件下， 车轮的硬度（强度）应不低于钢轨的硬度（强度）。

1.3车辆状态对轮对异常磨耗的影响

轮对加工精度和选用的影响。车辆轮对在车削过程中，由于人为的和条件限制加工后的轮对踏面、轮缘无法达到如图1所示的尺寸和比例或者同一轮对轮径差过大或当同一转向架有一个轮对存在左右轮径差时这样的轮对在运行当中由于与钢轨接触无法达到最佳形位，导致轮缘或踏面的异常磨耗。另外，车辆偏载、转向架侧架摇枕间隙过大、旁承间隙过小等原因都会造成车辆在通过曲线时受力不均，轮轨异常接触，导致轮轨异常磨耗。

2  改善轮对异常磨耗的措施：

2.1改善轮轨合理接触几何形位

2.1.1合理设置外轨超高。列车在曲线上行驶对轨道产生离心力，使外轨承受较大的压力。若超高度不适合，超高过大或过小都会引起钢轨的偏载和轮轨不正常的接触。超高过大，则车辆的重量偏载于里股钢轨， 使里股钢轨的垂直磨耗和里股钢轨一侧轮缘磨耗加大同时对外轨的侧面磨耗也不利。超高过小，离心力不能被平衡，车辆运行的横向力偏于外股钢轨， 使外股钢轨的垂直磨耗和同侧轮缘磨耗加大同时对里轨的侧面磨耗也不利。所以在曲线上超高不适合， 就会造成轮轨的不正常接触， 从而加剧轮轨异常磨耗。

2.1.2而在曲线超高的设置过程中也应当严格控制超高顺坡率。超高顺坡率涉及到车辆悬浮脱轨的问题，在这里暂且就不做说明。（在小半径曲线上应设置缓和曲线，设置不同的超高顺坡。鉴于缓和曲线终端脱轨危险性最大，应设置较小的超高顺坡率，从终端起5-10m范围内按δ≤1.5‰设置，剩余超高可采用δ≤2‰的顺坡率在其余长度的缓和曲线内顺完）

2.1.3轨底坡的设置。由于车轮踏面与钢轨顶面主要接触部分有一定的倾斜度，轨道铺设时需将钢轨向内侧倾斜，使轨底与轨道平面之间形成一个横向坡度，即为轨底坡。轨底坡取值适当，能使轮轨接触集中于轨顶及车轮踏面的中部，钢轨轴心受力，横向偏压受力较小，轨腰部位产生的附加弯曲应力较小，提高钢轨的横向稳定性能。适当的轨底坡使轮轨接触面最大，一方面降低接触应力，减少轮轨疲劳损伤，降低轮轨偏磨提高轮轨使用寿命，并使列车运行更稳定;另一方面还可以增大牵引黏着力，获得最佳运行效率。轨底坡取值适当，还可以减轻轨头及踏面不均匀磨耗，减少钢轨打磨量及旋轮成本，延长钢轨及车轮使用寿命;减少钢轨旁侧因磨耗产生的金属粉末，使轨道结构更干净，减少杂散电流。

2.1.4控制车辆装载质量，杜绝偏载和超载情况发生。

2.2改善轮对加工工艺和选配标准。

2.2.1车削时提高轮对踏面及轮缘外形的精度和质量。应提高轮对车削工艺水平及车削质量可防止因为轮对加工精度不足造成不必要的异常磨耗。在轮对选配过程中严格按轮径要求进行选配轮对。

2.2.2严格按技术要求落实车辆各项技术参数的检查确认，确保车辆状态达标。

参考文献：

[1]严隽耄，傅茂海，车辆工程.3版.北京：中国铁道出版社，2011.

[2]王一平，罗仁，胡俊波，不同配准策略下的轮轨磨耗量研究.中国铁路，2017.